一種純電動轎車電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計及仿真

宋軍　夏順禮　趙久志　張寶鑫　陽斌

摘 要：介紹了某純電動轎車兩種冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，利用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真軟件建立整個電池組仿真模型，通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的手段獲取仿真模型中蒸發(fā)器等效模型的關(guān)鍵參數(shù)，從而進(jìn)行高溫工況下電池組散熱情況的數(shù)值模擬，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計。對比兩組仿真結(jié)果，確定蒸發(fā)器分體式冷卻方案對電池組的冷卻效果明顯優(yōu)于集中式，且該冷卻系統(tǒng)可以有效保證電池在高溫環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：純電動轎車；熱管理系統(tǒng)；冷卻；數(shù)值模擬

中圖分類號：U469.72+2文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.08

動力電池作為新能源純電動汽車的動力來源，在提高整車性能和降低成本方面都有至關(guān)重要的作用，其溫度特性直接影響到純電動汽車的性能、壽命和耐久性[1-2]。目前在電池容量受到限制的情況下，電池成組技術(shù)水平對電池系統(tǒng)的發(fā)展非常重要，而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電池成組技術(shù)的重要核心技術(shù)之一，對提高電池一致性以及保證整車安全性都至關(guān)重要。在夏季，電動汽車運(yùn)行過程中，對電池的充放電會伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，如不及時散熱，電池組內(nèi)部溫度會急劇上升，且溫差不斷加大，加劇電池內(nèi)阻與容量的不一致性，甚至導(dǎo)致熱失控，存在很大安全隱患。

電池組冷卻系統(tǒng)的設(shè)計需采用系統(tǒng)化的設(shè)計方法，同時為節(jié)省研究成本，需要借助成熟CFD技術(shù)來完善對電池組熱特性的準(zhǔn)確評估與分析。

針對目前傳統(tǒng)開放式冷卻系統(tǒng)不能很好地滿足電池組運(yùn)行需求的現(xiàn)狀，本文提出一種全封閉式冷卻系統(tǒng)方案，利用蒸發(fā)器對電池組進(jìn)行主動散熱。通過CFD仿真對所設(shè)計的兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，最終確定較優(yōu)方案。

1 電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電池組冷卻系統(tǒng)

空氣冷卻按照冷卻系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)的不同，分為串行和并行兩種方式；按照是否使用風(fēng)扇，分為強(qiáng)制及自然兩種冷卻方式。

自然冷卻無冷卻風(fēng)扇，冷卻效果比較差。強(qiáng)制冷卻主要利用冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，由于其實(shí)現(xiàn)成本較低、散熱效果較好、可靠性高等特點(diǎn)，目前新能源汽車主要采用此種方式對電池組進(jìn)行冷卻[3-4]。

某純電動轎車?yán)鋮s系統(tǒng)利用空氣作為冷卻介質(zhì)對電池組進(jìn)行冷卻，電池組內(nèi)部選用能量型三元材料動力電池，采用密閉式熱管理系統(tǒng)，利用強(qiáng)制冷卻方式對電池組進(jìn)行冷卻。箱體全封閉式，空氣從風(fēng)機(jī)出口，沿著系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)道冷卻發(fā)熱的電池模組，最終回到風(fēng)機(jī)形成內(nèi)循環(huán)。冷卻系統(tǒng)風(fēng)道示意圖如圖1和圖2所示，風(fēng)扇布置在蒸發(fā)器前端。

本文所述電池組冷卻系統(tǒng)，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)開始制冷工作時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動將進(jìn)入其中的低溫低壓氣態(tài)制冷劑壓縮為高溫高壓氣體狀態(tài)，高溫高壓制冷劑在壓縮機(jī)持續(xù)不斷的壓力下被送入冷凝器里將其變?yōu)橹袦馗邏旱囊后w。隨后制冷劑再經(jīng)過干燥器進(jìn)行氣液分離，并將制冷劑中殘留水分除去。制冷劑經(jīng)過膨脹閥，因膨脹閥有限流作用，使液態(tài)制冷劑經(jīng)過限量后進(jìn)入電池組內(nèi)部蒸發(fā)器，制冷劑因壓力降低而使體積膨脹，當(dāng)液態(tài)制冷劑在壓力下降到一定值時，會由液態(tài)直接蒸發(fā)為氣態(tài)并在蒸發(fā)器芯體上吸收周圍大量的熱能，使蒸發(fā)器芯體的溫度降低。當(dāng)有自然風(fēng)從蒸發(fā)器芯體的翅片或扁管上通過時，蒸發(fā)器芯體會對自然風(fēng)降溫，并將降溫后的空氣送出蒸發(fā)器總成以產(chǎn)生電池包內(nèi)部制冷效果[5]。

由于蒸發(fā)器所在位置不同導(dǎo)致其制冷效果會出現(xiàn)較大差異，分體式蒸發(fā)器制冷效果好，但在安裝制造方面存在較大困難；集中式蒸發(fā)器制冷效果較分體式差，但安裝相對較為方便。因此需要利用CFD軟件對電池組進(jìn)行高溫冷卻仿真，選取較優(yōu)方案。

1.2 冷卻系統(tǒng)蒸發(fā)器制冷量計算

冷卻系統(tǒng)設(shè)計初期需要根據(jù)整車性能設(shè)計目標(biāo)需求計算蒸發(fā)器制冷量，以此作為蒸發(fā)器部件選型的重要依據(jù)。

。

式中，Cp為電池單體比熱容，J/（kg·K）；m為電池單體質(zhì)量，kg；mi為電池單體每種材料質(zhì)量，kg；Ci為電池單體每種材料比熱容，J/（kg·K）。

假設(shè)電池組內(nèi)部設(shè)計n個電池單體，熱管理系統(tǒng)目標(biāo)要求所控制溫升ΔT，由經(jīng)典熱力學(xué)公式可得：

Q電池組。

電池組實(shí)際制冷過程中，電池組內(nèi)空氣溫度是隨時間變化的，制冷時間為 t，則

。

式中，q為熱流密度，J/（m2·s）； A為散熱面積，m2。

冷卻工況下蒸發(fā)器制冷量計算，電池組是工作的，需要考慮電池的發(fā)熱量。

Q電池。

式中，q'為放電功率，w；t為制冷時間，s。

蒸發(fā)器總制冷量為

QQ電池+ Q' + Q電池。

2 電池組仿真模型建立

2.1 模型簡化

綜合利用CFD軟件自建模及外部導(dǎo)入兩種方式，建立電池組仿真模型，考慮到電池組內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需對其進(jìn)行簡化，去除不必要的幾何特征，例如倒角、圓角等。

電池系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計有蒸發(fā)器等元件，若保持其原始模型，會大大增加仿真計算成本和難度，所以需要進(jìn)行合理等效簡化，在系統(tǒng)內(nèi)部建立其相應(yīng)等效模型。

2.2 蒸發(fā)器等效模型建立

2.2.1 蒸發(fā)器阻抗計算

系統(tǒng)阻抗與風(fēng)速無關(guān)，主要是由模組布置、風(fēng)道設(shè)計等決定的。

為獲取蒸發(fā)器阻抗特性，需對蒸發(fā)器進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。在入口處給定一定風(fēng)速，通過測量進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口兩處的壓力得到前后壓差ΔP。

系統(tǒng)阻抗方程：

。

式中，k1、k2為系統(tǒng)阻尼系數(shù)；為空氣密度，kg/m?；

v為進(jìn)風(fēng)口速度，m/s；ΔP為壓降。

在系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口處分別將風(fēng)速設(shè)置為5 m/s以及10 m/s。通過計算，對于集中式冷卻方案蒸發(fā)器：

。

對于分體式冷卻方案蒸發(fā)器：

。

2.2.2 蒸發(fā)器仿真模型建立

利用仿真軟件建立蒸發(fā)器等效模型，如圖5所示，并通過一定手段將以上計算得到的蒸發(fā)器阻抗特性輸入到系統(tǒng)中。為驗(yàn)證所建立等效模型的合理性，利用CFD軟件對所建立的模型模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，即在入口處給一定對風(fēng)速，通過測量進(jìn)出風(fēng)口兩處壓力得到壓力差，得到其前后速度及壓力分布情況，如圖6和圖7所示，圖8為試驗(yàn)結(jié)果。

考慮到蒸發(fā)器實(shí)際模型較為復(fù)雜，故利用CFD軟件中散熱器模型對其進(jìn)行簡化，散熱器底座與翅片分別模擬蒸發(fā)器中間芯體與翅片。

圖6為利用CFD軟件對其建立的風(fēng)洞模型。當(dāng)設(shè)計蒸發(fā)器進(jìn)口容積風(fēng)量為100 m3/h，得到速度分布情況，其中最大風(fēng)速為12.9 m/s。

圖7為當(dāng)設(shè)計蒸發(fā)器進(jìn)口容積風(fēng)量為100 m3/h，得到的壓力損失情況。

通過對蒸發(fā)器分析可以看出，蒸發(fā)器前端壓力最大為182 Pa，后端為-67 Pa，故其壓力損失為247 Pa。圖8為試驗(yàn)測試結(jié)果，ΔP為242 Pa，通過對比表明此種簡化等效方法是合理的。

3 CFD流體數(shù)學(xué)模型

流體傳熱過程中都受物理守恒定律制約，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等[6]。

連續(xù)性方程：

。

式中，為流體密度，kg/m?；ui為流體速度沿i方向的分量。

動量方程：

。

式中，p為靜壓力，Pa；τij為應(yīng)力矢量；gi為i方向的重力分量；Fi為由于阻力和能源而引起的其它能源項。

能量方程：

。

式中，h為熵；k為分子傳導(dǎo)率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積源。

4 網(wǎng)格劃分

由于模型內(nèi)部存在風(fēng)扇，若全部采用笛卡爾六面體網(wǎng)格可能會導(dǎo)致風(fēng)扇外形失真，但網(wǎng)格數(shù)目會減少，因而風(fēng)扇采用六面體連續(xù)性網(wǎng)格（Unstructured），剩下的面采用笛卡爾六面體網(wǎng)格（Cartesian）。

5 邊界條件設(shè)定

電池組1C放電電流為60 A，三元電芯內(nèi)阻為19 mΩ，整個電池組為32并92串，動力電池組總成外殼下底板材料為SPCC（冷軋?zhí)妓乇′摪澹?，電池組上蓋采用PC（非晶體工程材料），電池組模塊固定板材料為丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板（Acrylonitrile-Butdiene-Styrene，ABS），根據(jù)所選風(fēng)扇輸入其P-Q曲線，蒸發(fā)器制冷功率為500 W。

6 兩種冷卻方案仿真結(jié)果分析

6.1 集中式冷卻方案仿真分析

高溫工況，即環(huán)境溫度為40 ℃，軸流風(fēng)機(jī)位于蒸發(fā)器前端，加熱器不工作，風(fēng)機(jī)及蒸發(fā)器工作，蒸發(fā)器制冷功率為500 W，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10可以看出，在蒸發(fā)器制冷功率為500 W時，電池包內(nèi)局部單體電池仍然有一定的溫升，3 600 s時最大溫升為9.06 ℃。從整個系統(tǒng)橫截面可以看出，電池組中不同位置溫度分布溫差較大，靠近蒸發(fā)器端溫度較低，遠(yuǎn)離蒸發(fā)器位置溫升較大，電池組內(nèi)部存在溫度分布不均勻的問題。

6.2 分體式冷卻方案仿真分析

當(dāng)采用分體式冷卻方案時，蒸發(fā)器制冷功率為500 W（左右兩側(cè)分別有一個蒸發(fā)器，各自功率均為250 W），熱仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，電池包內(nèi)局部單體電池3 600 s內(nèi)最大溫升為6.58 ℃。電池組尾部局部溫升較大，可以通過改進(jìn)風(fēng)道的方式來加以改善，整體溫度分布較為均勻。

7 兩種冷卻方案對比總結(jié)

7.1 集中式冷卻方案仿真結(jié)果總結(jié)

通過瞬態(tài)仿真分析，獲得了電池組內(nèi)部溫度隨時間變化的分布情況。

從以上截圖可以看出，在環(huán)境溫度為40 ℃，蒸發(fā)器制冷功率為500 W時，電池包內(nèi)局部單體電池仍然有一定的溫升，3 600 s時最大溫升為9.06 ℃，不超過55 ℃。但同時可以看出，電池組中不同位置溫度差較大。

綜上所述，集中式冷卻方案在高溫工況下冷卻性能較差。

7.2 分體式熱管理系統(tǒng)仿真結(jié)果總結(jié)

通過瞬態(tài)仿真分析，獲得了電池組內(nèi)部溫度隨時間變化的分布情況。

從以上截圖可以看出，在環(huán)境溫度為40 ℃，蒸發(fā)器制冷功率為500 W，電池1 C放電的情形下，電池包內(nèi)局部單體電池仍然有一定的溫升，3 600 s時最大溫升為6.58 ℃，不超過50 ℃。

同時可以看出，整個系統(tǒng)中靠近加熱器的后模組部分模組電池溫升相對較大，但電池組整體較為平均，故分體式熱管理系統(tǒng)基本上解決了集中式熱管理系統(tǒng)溫差過大的影響，通過改善風(fēng)道及優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分體式熱管理系統(tǒng)。

8 結(jié)論

（1）空調(diào)制冷原理運(yùn)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是可行的，能夠有效地對電池組進(jìn)行冷卻。

（2）通過阻抗計算分析對蒸發(fā)器進(jìn)行簡化是合理的。

（3）利用CFD軟件進(jìn)行熱管理系統(tǒng)仿真分析，能夠反映電池組溫度分布趨勢，說明將CFD技術(shù)應(yīng)用于新能源電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計是可行的。

（4）蒸發(fā)器分體式冷卻方案對電池組的冷卻效果優(yōu)于集中式冷卻方案。

（5）某純電動轎車電池組冷卻系統(tǒng)為密閉式設(shè)計，可在高溫環(huán)境下對電池組進(jìn)行有效冷卻，避免熱失控現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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